CN111431353A - 一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法，包括起动机外壳、起动按钮、正反转二位开关、PCB驱动板、有刷电机、减速齿轮、起动头以及电池接口，起动按钮和正反转二位开关向PCB驱动板发送起动、停机和正反转指令请求，PCB驱动板根据相应的指令控制有刷电机的运转，有刷电机通过减速齿轮驱动起动头，实现减速增扭输出。本发明的优点在于起动开关无胶着风险，起动电流可控，具备正反向起动功能，和过载保护功能，寿命和可靠性高。

Description

一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及小排量活塞发动机起动技术领域，具体涉及一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法。

背景技术

无人机用微型混合动力***主要由小排量活塞机与发电机构成，受结构与重量限制，无人机用微型混合动力***不单独配置起动电机，因此，其动力***需单独起动。

微型混合动力***相比于传统小排量活塞发动机，具有如下特点：其起动轴的转动惯量大幅增加，并且起动负载在一个机械周期内波动剧烈；所需起动转速是小排量活塞发动机的2-3倍。微小型航空混合动力***若采用手拔式起动方式，不仅起动成功率低，而且存在安全隐患。现有的手持式起动器结构简单，无法满足大起动惯量以及高速装置的起动要求；而且这种起动器的起动开关一般为机械簧铜片，直接串联在功率回路，该构造还存在以下几点问题：1)长时间工作后，簧铜片两极容易胶着，造成无法断电的事故，使得起动器寿命短暂，可靠性低；2)无法同时具备正转和反转起动功能，使用不变，容易造成误操作；3)起动电流不可控，容易烧毁起动装置；4)只能匹配特定型号电池(一般为4S锂离子电池)，电机起动电流不可控，电池电压超过4S时，开关胶着现象加剧，电池电压低于4S时，起动扭矩不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法，该起动装置可灵活匹配3S～6S锂离子电池工作，并具备正转和反转起动功能，起动扭矩稳定可控，结构紧凑，寿命长，可靠性高。

本发明提供了如下的技术方案：

一种航空混合动力***的重载高速起动装置及其控制方法，包括起动机外壳、起动按钮、正反转二位开关、PCB驱动板、有刷电机、减速齿轮、起动头以及电池接口，所述起动按钮与所述正反转二位开关用于向所述PCB驱动板发送指令，所述PCB驱动板用于控制所述有刷电机运转，所述有刷电机通过所述减速齿轮驱动所述起动头；

所述PCB驱动板包括电源模块、控制芯片、PWM驱动模块、电机驱动桥路与电流采样电路，所述起动按钮、所述正反转二位开关、所述PWM驱动模块以及所述电流采样电路均与所述控制芯片连接，所述起动按钮用于向所述控制芯片发送工作或停机指令，所述正反转二位开关用于控制所述有刷电机的正反向运转，所述电流采样电路布置于所述电机驱动桥路的下桥臂，用于采集母线驱动电流并将其反馈至所述控制芯片，所述控制芯片根据驱动电流的反馈信号以及所述正反转二位开关的正反转指令向所述PWM驱动模块发送驱动信号，所述PWM驱动模块根据所述驱动信号对所述电机驱动桥路进行调制，所述电机驱动桥路用于调控所述有刷电机的起动电流与正反向运转，

优选的，所述启动按钮与所述正反转二位开关设于所述起动机外壳上，所述PCB驱动板，有刷电机和齿轮减速机构均设于所述起动器外壳内，所述起动头固定于所述起动器外壳的一端，所述有刷电机通过所述减速齿轮与所述起动头连接并向其输送扭矩，所述电池接口设于所述起动器外壳的另一端。

优选的，所述电机驱动桥路的输入端与输出端分别与所述PWN驱动模块以及所述电流采样电路连接，所述电机驱动桥路包括四个可控硅开关，四个所述可控硅开关均与所述PWN驱动模块连接并受其调制，四个所述可控硅开关分别包括开关Q1、开关Q2、开关Q3与开关Q4，所述PWM驱动模块，所述开关Q1与所述开关Q2依次串联，所述PWM驱动模块，所述开关Q3与所述开关Q4依次串联，所述开关Q1与所述开关Q3的输入端之间并联设置，所述有刷电机的两端分别与所述开关Q1与所述开关Q3的输出端连接。

优选的，按下所述起动按钮，所述控制芯片根据所述正反转二位开关向所述PWN驱动模块发送指令，当所述正反转二位开关处于正转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，所述有刷电机正向运转；当所述正反转二位开关处于反转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4关断，开关Q3与开关Q2导通，所述有刷电机反向运转。

优选的，所述电流采样电路包括第一差分放大器、第一电流采样电阻、第二差分放大器、第二电流采样电阻与电流采集模块，所述电流采集模块与所述控制芯片连接，所述第一电流采样电阻与所述第二电流采样电阻的两端信号分别通过所述第一差分放大器与所述第二差分放大器进入所述电流采集模块，所述电流采集模块将获取的电流信号传输至所述控制芯片，所述控制芯片将所述驱动电流与事先设定的安全阈值进行对比，当所述驱动电流超出所述安全阈值，所述控制芯片将停止驱动信号输送至所述PWN驱动模块，所述PWN驱动模块关断四个所述可控硅开关。

优选的，所述第一差分放大器与所述第二差分放大器的输出端均与所述电流采集模块连接，所述第一电流采样电阻的输入端与输出端分别与所述第一差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，所述第一电流采样电阻的输入端与所述开关Q2的输出端连接，所述第二电流采样电阻的输入端与输出端分别与所述第二差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，所述第二电流采样电阻的输入端与所述开关Q4的输出端连接。

优选的，所述起动头包括金属圆柱形外壳与橡胶锥形起动套。

优选的，所述可控硅开关为MOSFET开关或IGBT开关。

优选的，所述电池接口用于连接标准3S-6S航模电池，所述电池接口为航模电池标准XT60公插头或T型公插头。

一种航空混合动力***的重载高速起动装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、将标准3S-6S航模电池包***起动装置的电池接口，并将起动头压紧到混合动力***的起动轴上；

S2、根据所述混合动力***的正反转起动要求，将起动器外壳上的正反转二位开关拨至相应的位置；

S3、按下所述起动器外壳上的起动按钮，控制芯片根据所述正反转二位开关向PWN驱动模块发送指令，当所述正反转二位开关处于正转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，有刷电机正向运转，机械能通过减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给所述起动头，进而传递给所述混合动力***的起动轴上，从而起动***；当所述正反转二位开关处于反转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得所述开关Q1与所述开关Q4关断，所述开关Q3与所述开关Q2导通，所述有刷电机反向运转，机械能通过所述减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给所述起动头，进而传递给所述混合动力***的起动轴上，反向起动***；

S4、第一电流采样电阻与第二电流采样电阻的两端信号分别通过第一差分放大器与第二差分放大器进入电流采集模块，所述电流采集模块将获取的电流信号传输至所述控制芯片，所述控制芯片通过输入电流信号与预设电流值的比较，输出调制信号给所述PWM驱动模块，使得所述开关Q1与所述开关Q4、所述开关Q3与所述开关Q2按需通断，使得输入电流与预设电流差值为0，从而实现所述有刷电机的恒电流工作模式，此种模式下，起动装置提供恒定的起动扭矩；当驱动电流超出安全阈值，所述控制芯片将停止驱动信号输送至所述PWN驱动模块，所述PWN驱动模块关断四个所述可控硅开关，***断电；

S5、当松开所述起动按钮，所述控制芯片判断控制装置为停机状态，向所述PWM驱动模块发送刹车信号，所述PWM驱动模块关断所述可控硅开关中的所有开关，***进入等待模式，此时可随时进行再次起动尝试。

本发明的有益效果是：

1)采用信号开关技术，去除传统机械开关的胶着风险，提高起动装置的使用寿命和可靠性；

2)采用有刷电机的电流闭环驱动模式，一方面实现有刷电机起动电流的调控，并可以按需配置起动扭矩；另一方面，增加限流保护功能，增加起动装置使用寿命；

3)配置正反转二位开关，配合电机驱动桥路，实现起动装置正反向起动的实时在线配置功能；

4)电池接口采用航模电池标准插头，使用便捷，即插即用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明起动装置的正视图；

图2是本发明起动装置的右视图；

图3是本发明起动装置的***图；

图4是本发明PCB驱动板原理示意图；

图中标记为：1-起动器外壳，2-起动按钮，3-正反转二位开关，4-起动头，5-电池接口，6-减速齿轮，7-有刷电机，8-PCB驱动板，9-电池包，10-控制芯片，11-电源模块，12-PWM驱动模块，13-电流采样模块，14-第一差分放大器01，15-第一电流采样电阻，16-第二差分放大器，17-第二电流采样电阻，18-可控硅开关。

具体实施方式

如图1-图4所示，一种航空混合动力***的重载高速起动装置，包括起动机外壳、起动按钮、正反转二位开关、PCB驱动板、有刷电机、减速齿轮、起动头以及电池接口，起动按钮与正反转二位开关用于向PCB驱动板发送指令，PCB驱动板用于控制有刷电机运转，有刷电机通过减速齿轮驱动起动头；

PCB驱动板包括电源模块、控制芯片、PWM驱动模块、电机驱动桥路与电流采样电路，起动按钮、正反转二位开关、PWM驱动模块以及电流采样电路均与控制芯片连接，起动按钮用于向控制芯片发送工作或停机指令，正反转二位开关用于控制有刷电机的正反向运转，电流采样电路布置于电机驱动桥路的下桥臂，用于采集母线驱动电流并将其反馈至控制芯片，控制芯片根据驱动电流的反馈信号以及正反转二位开关的正反转指令向PWM驱动模块发送驱动信号，PWM驱动模块根据驱动信号对电机驱动桥路进行调制，从而实现有刷电机的电流闭环控制，进一步实现有刷电机的恒电流工作模式和限流断电保护功能，这种方式一方面可以实现起动扭矩的按需恒定控制，一方面保护起动装置免受过载冲击，增加起动装置使用寿命；电机驱动桥路用于调控有刷电机的起动电流与正反向运转；

具体的，如图4所示，电机驱动桥路的输入端与输出端分别与PWN驱动模块以及电流采样电路连接，电机驱动桥路包括四个可控硅开关，四个可控硅开关均与PWN驱动模块连接并受其调制，四个可控硅开关分别包括开关Q1、开关Q2、开关Q3与开关Q4，PWM驱动模块，开关Q1与开关Q2依次串联，PWM驱动模块，开关Q3与开关Q4依次串联，开关Q1与开关Q3的输入端之间并联设置，有刷电机的两端分别与开关Q1与开关Q3的输出端连接；

当按下起动按钮，控制芯片根据正反转二位开关向PWN驱动模块发送指令，当正反转二位开关处于正转位置，控制芯片控制PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，有刷电机正向运转；当正反转二位开关处于反转位置，控制芯片控制PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4关断，开关Q3与开关Q2导通，有刷电机反向运转；

电流采样电路包括第一差分放大器、第一电流采样电阻、第二差分放大器、第二电流采样电阻与电流采集模块，电流采集模块与控制芯片连接，第一电流采样电阻与第二电流采样电阻的两端信号分别通过第一差分放大器与第二差分放大器进入电流采集模块，电流采集模块将获取的电流信号传输至控制芯片，控制芯片将驱动电流与事先设定的安全阈值进行对比，当驱动电流超出安全阈值，控制芯片将停止驱动信号输送至PWN驱动模块，PWN驱动模块关断四个可控硅开关；

第一差分放大器与第二差分放大器的输出端均与电流采集模块连接，第一电流采样电阻的输入端与输出端分别与第一差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，第一电流采样电阻的输入端与开关Q2的输出端连接，第二电流采样电阻的输入端与输出端分别与第二差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，第二电流采样电阻的输入端与开关Q4的输出端连接；如图1-图3所示，

一种航空混合动力***的重载高速起动装置，启动按钮与正反转二位开关设于起动机外壳上，PCB驱动板，有刷电机和齿轮减速机构均设于起动器外壳内，起动头固定于起动器外壳的一端，有刷电机通过减速齿轮与起动头连接并向其输送扭矩，电池接口设于起动器外壳的另一端；

具体的，起动按钮布置在所述PCB驱动电路的控制电路中，由于功率电流未经过控制电路，则起动按钮无胶着风险，可靠性和寿命均得到很大程度的提高；起动头包括金属圆柱形外壳与橡胶锥形起动套，其中，金属圆柱形外壳提供支撑，以保证起动时的压紧力，橡胶锥型起动套保证起动器与被起动***起动轴的柔性连接，减少起动冲击；可控硅开关为MOSFET开关或IGBT开关，从而实现有刷电机的可控性能以及大功率驱动需求；电池接口用于连接标准3S-6S航模电池，电池接口为航模电池标准XT60公插头或T型公插头，从而实现起动装置与标准电池包间的即插即用功能。

如图1-图4所示，一种航空混合动力***的重载高速起动装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、将标准3S-6S航模电池包***起动装置的电池接口，并将起动头压紧到混合动力***的起动轴上；

S2、根据混合动力***的正反转起动要求，将起动器外壳上的正反转二位开关拨至相应的位置；

S3、按下起动器外壳上的起动按钮，控制芯片根据正反转二位开关向PWN驱动模块发送指令，当正反转二位开关处于正转位置，控制芯片控制PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，有刷电机正向运转，机械能通过减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给起动头，进而传递给混合动力***的起动轴上，从而起动***；当正反转二位开关处于反转位置，控制芯片控制PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4关断，开关Q3与开关Q2导通，有刷电机反向运转，机械能通过减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给起动头，进而传递给混合动力***的起动轴上，反向起动***；

S4、第一电流采样电阻与第二电流采样电阻的两端信号分别通过第一差分放大器与第二差分放大器进入电流采集模块，电流采集模块将获取的电流信号传输至控制芯片，控制芯片通过输入电流信号与预设电流值的比较，输出调制信号给PWM驱动模块，使得开关Q1与开关Q4、开关Q3与开关Q2按需通断，使得输入电流与预设电流差值为0，从而实现有刷电机的恒电流工作模式，此种模式下，起动装置提供恒定的起动扭矩；当驱动电流超出安全阈值，控制芯片将停止驱动信号输送至PWN驱动模块，PWN驱动模块关断四个可控硅开关，***断电；

S5、当松开起动按钮，控制芯片判断控制装置为停机状态，向PWM驱动模块发送刹车信号，PWM驱动模块关断可控硅开关中的所有开关，***进入等待模式，此时可随时进行再次起动尝试。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，包括起动机外壳、起动按钮、正反转二位开关、PCB驱动板、有刷电机、减速齿轮、起动头以及电池接口，所述起动按钮与所述正反转二位开关用于向所述PCB驱动板发送指令，所述PCB驱动板用于控制所述有刷电机运转，所述有刷电机通过所述减速齿轮驱动所述起动头；

所述PCB驱动板包括电源模块、控制芯片、PWM驱动模块、电机驱动桥路与电流采样电路，所述起动按钮、所述正反转二位开关、所述PWM驱动模块以及所述电流采样电路均与所述控制芯片连接，所述起动按钮用于向所述控制芯片发送工作或停机指令，所述正反转二位开关用于控制所述有刷电机的正反向运转，所述电流采样电路布置于所述电机驱动桥路的下桥臂，用于采集母线驱动电流并将其反馈至所述控制芯片，所述控制芯片根据驱动电流的反馈信号以及所述正反转二位开关的正反转指令向所述PWM驱动模块发送驱动信号，所述PWM驱动模块根据所述驱动信号对所述电机驱动桥路进行调制，所述电机驱动桥路用于调控所述有刷电机的起动电流与正反向运转。

2.根据权利要求1所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述启动按钮与所述正反转二位开关设于所述起动机外壳上，所述PCB驱动板，有刷电机和齿轮减速机构均设于所述起动器外壳内，所述起动头固定于所述起动器外壳的一端，所述有刷电机通过所述减速齿轮与所述起动头连接并向其输送扭矩，所述电池接口设于所述起动器外壳的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述电机驱动桥路的输入端与输出端分别与所述PWN驱动模块以及所述电流采样电路连接，所述电机驱动桥路包括四个可控硅开关，四个所述可控硅开关均与所述PWN驱动模块连接并受其调制，四个所述可控硅开关分别包括开关Q1、开关Q2、开关Q3与开关Q4，所述PWM驱动模块，所述开关Q1与所述开关Q2依次串联，所述PWM驱动模块，所述开关Q3与所述开关Q4依次串联，所述开关Q1与所述开关Q3的输入端之间并联设置，所述有刷电机的两端分别与所述开关Q1与所述开关Q3的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，按下所述起动按钮，所述控制芯片根据所述正反转二位开关向所述PWN驱动模块发送指令，当所述正反转二位开关处于正转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，所述有刷电机正向运转；当所述正反转二位开关处于反转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4关断，开关Q3与开关Q2导通，所述有刷电机反向运转。

5.根据权利要求4所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述电流采样电路包括第一差分放大器、第一电流采样电阻、第二差分放大器、第二电流采样电阻与电流采集模块，所述电流采集模块与所述控制芯片连接，所述第一电流采样电阻与所述第二电流采样电阻的两端信号分别通过所述第一差分放大器与所述第二差分放大器进入所述电流采集模块，所述电流采集模块将获取的电流信号传输至所述控制芯片，所述控制芯片将所述驱动电流与事先设定的安全阈值进行对比，当所述驱动电流超出所述安全阈值，所述控制芯片将停止驱动信号输送至所述PWN驱动模块，所述PWN驱动模块关断四个所述可控硅开关。

6.根据权利要求5所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述第一差分放大器与所述第二差分放大器的输出端均与所述电流采集模块连接，所述第一电流采样电阻的输入端与输出端分别与所述第一差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，所述第一电流采样电阻的输入端与所述开关Q2的输出端连接，所述第二电流采样电阻的输入端与输出端分别与所述第二差分放大器的同相输入端以及反向输入端连接，所述第二电流采样电阻的输入端与所述开关Q4的输出端连接。

7.根据权利要求2所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述起动头包括金属圆柱形外壳与橡胶锥形起动套。

8.根据权利要求2所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述可控硅开关为MOSFET开关或IGBT开关。

9.根据权利要求2所述的一种航空混合动力***的重载高速起动装置，其特征在于，所述电池接口用于连接标准3S-6S航模电池，所述电池接口为航模电池标准XT60公插头或T型公插头。

10.一种根据权利要求1-9的航空混合动力***的重载高速起动装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将标准3S-6S航模电池包***起动装置的电池接口，并将起动头压紧到混合动力***的起动轴上；

S2、根据所述混合动力***的正反转起动要求，将起动器外壳上的正反转二位开关拨至相应的位置；

S3、按下所述起动器外壳上的起动按钮，控制芯片根据所述正反转二位开关向PWN驱动模块发送指令，当所述正反转二位开关处于正转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个可控硅开关进行调制，使得开关Q1与开关Q4导通，关断开关Q3与开关Q2，有刷电机正向运转，机械能通过减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给所述起动头，进而传递给所述混合动力***的起动轴上，从而起动***；当所述正反转二位开关处于反转位置，所述控制芯片控制所述PWN驱动模块对四个所述可控硅开关进行调制，使得所述开关Q1与所述开关Q4关断，所述开关Q3与所述开关Q2导通，所述有刷电机反向运转，机械能通过所述减速齿轮的减速增扭，将放大后的扭矩传递给所述起动头，进而传递给所述混合动力***的起动轴上，反向起动***；

S4、第一电流采样电阻与第二电流采样电阻的两端信号分别通过第一差分放大器与第二差分放大器进入电流采集模块，所述电流采集模块将获取的电流信号传输至所述控制芯片，所述控制芯片通过输入电流信号与预设电流值的比较，输出调制信号给所述PWM驱动模块，使得所述开关Q1与所述开关Q4、所述开关Q3与所述开关Q2按需通断，使得输入电流与预设电流差值为0，从而实现所述有刷电机的恒电流工作模式，此种模式下，起动装置提供恒定的起动扭矩；当驱动电流超出安全阈值，所述控制芯片将停止驱动信号输送至所述PWN驱动模块，所述PWN驱动模块关断四个所述可控硅开关，***断电；

S5、当松开所述起动按钮，所述控制芯片判断控制装置为停机状态，向所述PWM驱动模块发送刹车信号，所述PWM驱动模块关断所述可控硅开关中的所有开关，***进入等待模式，此时可随时进行再次起动尝试。

Images